基坑開挖對鄰近地鐵車站運營安全影響研究

劉天安，郭清鋒，張榮輝

（1、廣州地鐵建設(shè)管理有限公司 廣州 510220；2、廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

城市快速發(fā)展對用地的需求量急劇增大，城市空間資源日益短缺，緊鄰既有地鐵的基坑開挖越來越常見?；娱_挖過程中土體卸荷將導(dǎo)致周邊土體應(yīng)力狀態(tài)變化及其變形［1］，運營的地鐵線路對沉降和變形敏感，間接影響結(jié)構(gòu)本身的受力平衡系統(tǒng)［2］。因此當(dāng)在鄰近地鐵車站進(jìn)行基坑開挖前，評估基坑開挖對既有地鐵車站的影響具有重要意義。

研究臨近地鐵基坑施工的主要方法包括理論計算、現(xiàn)場實測、模型試驗和數(shù)值模擬等［3-5］。理論計算一般不考慮地鐵隧道和周圍土體的非線性作用，需進(jìn)行大量簡化，計算精度較低。因此，目前在工程中更傾向于采用數(shù)值模擬的方法。程玉蘭［6］以深圳地鐵5 號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了軟土深基坑與鄰近地鐵車站的相互變形影響。陳魯［7］以深圳地鐵5 號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了軟土深基坑與鄰近地鐵車站的相互變形影響。丁樂［8］以西朗公交樞紐站為例，研究了基坑開挖對鄰近地鐵車站安全影響。黎浩等人［9］以昆明市某深基坑開挖為實例，通過有限元軟件模擬來研究臨近地鐵車站的基坑支護(hù)設(shè)計要點。李磊［10］基于佛山地鐵二號線魁奇路站工程案例，運用三維有限元整體模型分析法，評估深基坑開挖對既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的安全影響情況，給出分析結(jié)果和降低相關(guān)影響的措施。

本文以廣州地鐵13 號線某車站附近的基坑為研究背景，運用數(shù)值模擬的方法詳細(xì)分析基坑開挖對緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)受力變形的影響，根據(jù)分析結(jié)果對地鐵施工期間地鐵隧道的監(jiān)測提出合理建議。

1 工程概況

1.1 基坑支護(hù)概況

基坑周長約650 m，建筑±0.00標(biāo)高為8.60 m，開挖深度約8.1～9.0 m，基坑底板絕對標(biāo)高（-2.6）～（-1.60）m。支護(hù)形式采用“地連墻+內(nèi)支撐”、“灌注樁+內(nèi)支撐”、“灌注樁+錨索”支護(hù)體系，其中東側(cè)臨近地鐵部分采用地連墻+一道內(nèi)支撐支護(hù)，其余部分采用φ850@600三軸水泥攪拌止水樁進(jìn)行圍閉截水，厚度6.0 mφ800@600單軸攪拌樁的坑底被動區(qū)加固。本項目與地鐵結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖1所示。

1.2 地鐵車站概況

本項目東側(cè)基坑緊貼13 號線某車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻，地下室結(jié)構(gòu)邊線距地鐵13 號線某車站結(jié)構(gòu)2.55～4.25 m，侵入軌道交通安全保護(hù)線45.75 m，地鐵車站為地下2 層島式結(jié)構(gòu)，車站基坑開挖深度為15.93～15.99 m，設(shè)計地面標(biāo)高7.60 m?；优c地鐵車站位置關(guān)系如圖2所示。

2 三維數(shù)值模擬的建立

2.1 計算模型

結(jié)合基坑開挖和支護(hù)方案及臨近地鐵隧道相關(guān)設(shè)計資料，采用Midas GTS/NX 軟件建立三維整體模型，模型如圖3 所示。模型計算范圍為長260 m，寬260 m，土層計算深度為40 m，模型外擴(kuò)范圍不小于3倍基坑深度。各巖土層土體采用彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，具體計算參數(shù)如表1 所示。車站的地連墻和主體結(jié)構(gòu)（頂板/底板/中板）采用彈性本構(gòu)模型，材料為C30 混凝土。擬建工程主體結(jié)構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，模擬單元為板單元或梁單元。

表1 土體物理參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soils

2.2 邊界條件

對基坑模型底部約束Z向位移，模型前、后面約束Y向位移，模型左、右面約束X向位移。

2.3 荷載條件

荷載主要來自巖土層、主體結(jié)構(gòu)、支護(hù)自重，超載一般地面按20 kPa考慮。

2.4 模擬工況

針對基坑開挖、地下室結(jié)構(gòu)施工全過程分7 個施工工況進(jìn)行數(shù)值模擬，具體模擬步驟如表2所示。

表2 模擬施工工況Tab.2 Simulated Excavation Steps

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑開挖對地鐵車站的影響

3.1.1 車站水平位移

根據(jù)模擬結(jié)果，擬建基坑施工期間，車站結(jié)構(gòu)水平位移隨項目施工過程增大。工況基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的水平位移極值分別為1.234 mm、1.590 mm、2.287 mm、2.046 mm，水平位移極值為2.287 mm（向基坑方向），出現(xiàn)在工況6（基坑開挖3）。水平位移極值位于車站結(jié)構(gòu)靠近基坑一側(cè)。車站結(jié)構(gòu)水平位移極值如圖4所示。

3.1.2 車站豎向位移

擬建基坑施工期間，車站結(jié)構(gòu)豎向變形為隆起，車站結(jié)構(gòu)豎向位移隨項目施工過程先增大后平穩(wěn)。工況基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的豎向位移極值分別為0.986 mm、1.740 mm、2.474 mm、-3.485 mm，位移極值為沉降3.485 mm，出現(xiàn)在工況7（地下室回筑），沉降變形的豎向位移極值位于靠近基坑的位置，且位于車站結(jié)構(gòu)的頂部。車站結(jié)構(gòu)豎向位移極值如圖5所示。

3.1.3 車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力

車站結(jié)構(gòu)彎矩隨項目施工過程呈平穩(wěn)的趨勢，車站結(jié)構(gòu)彎矩初始值為-671.7 kN·m，工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的 彎 矩 極 值 分 別 為-678.0 kN·m、-665.4 kN·m、-653.4 kN·m、-643.4 kN·m、-697.7 kN·m。車站結(jié)構(gòu)彎矩極值為-697.7 kN·m，彎矩增量為26 kN·m，增幅為3.87%。車站結(jié)構(gòu)彎矩極值如圖6所示。

3.2 水位變化對地鐵車站的影響

建立二維平面應(yīng)變模型對降水施工過程中基坑及周圍土體的滲流進(jìn)行有限元計算，分析基坑降水引起坑外水位變化以及鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)的沉降。

初始水位為地面以下1.5 m，基坑內(nèi)水位需降至基坑底以下0.5 m。雜填土、中砂、淤泥、礫砂、微風(fēng)化灰?guī)r的滲透系數(shù)分別取1.5 m/d、35 m/d、0.01 m/d、45 m/d、16.56 m/d。模型兩側(cè)約束Y方向上的位移；模型底部同時限制Y與X方向的位移。荷載主要為土體自重荷載。建立的基坑降水滲流模型如圖7 所示，降水后的水位線如圖8所示。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，當(dāng)降水至基坑底以下0.5 m時，車站側(cè)水位下降1.50 m，車站結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.391 mm，最大豎向位移為-1.502 mm。

4 結(jié)論與建議

本文采用三維有限元整體模型模擬各工況條件下地鐵結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，研究了擬建基坑施工對鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響。

⑴基坑開挖對鄰近地鐵車站結(jié)構(gòu)有一定影響。通過三維數(shù)值模擬分析，計算得到擬建項目的基坑施工期間，地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移極值為2.287 mm（向基坑方向），豎向位移極值為沉降3.485 mm，車站結(jié)構(gòu)彎矩初始值為-671.7 kN·m，車站結(jié)構(gòu)彎矩極值為-697.7 kN·m，彎矩增量為26 kN·m，增幅為3.87%。

⑵當(dāng)降水至基坑底以下0.5 m 時，車站側(cè)水位下降1.50 m，車站結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.391 mm，最大豎向位移為-1.502 mm。

⑶ 數(shù)值模擬能反映車站結(jié)構(gòu)受力和變形的規(guī)律，能量化基坑開挖對車站的影響程度，對基坑設(shè)計、施工和監(jiān)測具有較好的工程指導(dǎo)意義。但由于邊界條件、本構(gòu)模型、巖土參數(shù)選取的差異，模擬值可能與實際有一定差異，施工過程仍須加強(qiáng)對車站的監(jiān)測。